CN106415154A - 用于转化热能的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用机械能将较低温度的热能转化成较高温度的热能和逆向进行该过程的装置(20)和方法，其具有用于经过闭合的循环过程的工作介质的转子(21)和相对转子(21)可旋转的叶轮(30)，其中，转子(21)具有配备多个压缩通道(25)的压缩单元(23)和配备多个减压通道(26)的减压单元(24)，其中，转子(21)另外具有用于在工作介质和热交换介质之间进行热交换的换热器(1’、1”)，其中，所述叶轮(30)设置在转子(21)的在热泵运行状态中输入工作介质流的输入通道(31)和至少一个在热泵运行状态中排出工作介质流的排出通道(32)之间，其中，输入通道(31)具有基本上平行于旋转轴线(22)伸展的、延伸至叶轮(30)的进口(33)之前的出口部段(34)，因此工作介质的各个流能够从输入通道(31)基本上平行于旋转轴线(22)地引入叶轮(30)中。

Description

用于转化热能的装置和方法

本发明涉及一种利用机械能将较低温度的热能转化成较高温度的热能和将较高温度的热能转化成较低温度的热能的装置，其具有可旋转地围绕旋转轴线支承的用于经过闭合的循环过程的工作介质的转子和相对转子可旋转的叶轮，其中，所述转子具有配备多个压缩通道的压缩单元和配备多个减压通道的减压单元，工作介质流可以为了提高压力参照旋转轴线基本上径向向外地导引进压缩通道，工作介质流可以为了降低压力参照旋转轴线基本上径向向内地导引进减压通道，其中，转子还具有用于在工作介质和热交换介质之间热交换的换热器，所述叶轮在热泵运行状态中用于保持工作介质围绕转子的旋转轴线的流动和/或在发电机运行状态中用于使用工作介质的流动能量。

此外，本发明涉及一种用于借助机械能将较低温度的热能转化成较高温度的热能和将较高温度的热能转化成较低温度的热能的方法，其中工作介质在围绕旋转轴线旋转的转子中通过闭合的循环过程，其中工作介质的多个流体为了提高压力而参照旋转轴线基本上径向向外地导引，其中工作介质流为了降低压力而参照旋转轴线基本上径向向内地导引，在工作介质和热交换介质之间进行热交换，其中工作介质在热泵运行状态中为了保持工作介质围绕转子的旋转轴线的流动和/或在发电机运行状态为了使用工作介质的流动能量而通过叶轮导引。

由现有技术中已经获知旋转的热泵或者热力机器，其中气态的工作介质在闭合的热动态循环过程中被导引。

在WO2009/015402A1中描述了一种热泵，其中工作介质在转子的导管系统中经历循环过程，其具有这些工作步骤：a)压缩工作介质，b)借助换热器将工作介质的热量排出，c)工作介质的减压和d)借助另外的换热器向工作介质输入热量。工作介质的压力提高或压力减小主要是通过离心加速实现，其中工作介质在压缩单元中相对旋转轴线径向向外地流动并且在减压单元中径向向内地流动。工作介质向换热器的热交换介质的热排放在导管系统的轴向的或平行于旋转轴延伸的部段中进行，为该部段配备伴随旋转的、具有热交换介质的换热器。

此外，在该现有技术中已经使用叶轮，其尤其用于保持工作介质在旋转运行中的流动。所述叶轮一方面抗扭地设置，其中由于抗扭的布置实现了相对于导引工作介质的导管系统的相对运动。另一方面已经建议，为叶轮配备发动机，用于产生相对导管系统的相对运动。此外，叶轮在该装置中与发电机相连，用于将通过叶轮的相对运动产生的轴功率转换成电能。

在现有技术中已知各种非常不同的用于保持流体流动的叶轮，其中这些叶轮可以设计为压缩机、减压涡轮或导轮。在现有技术中，作为叶轮的通流形式的边界形式已知一方面轴向的和另一方面径向的实施形式。在混合形式中，如对角通流的叶轮中，很大程度上适用与用于径向或轴向流动部件的相同的考虑。在使用轴向通流的叶轮时，即所谓的轴向通风机(或者通常称为轴向压缩机)或者轴向涡轮机时，基本上使用传统的尺寸设计。但是轴向的结构形式具有的缺点在于，相比于径向结构形式压力提高较小，由此轴向叶轮大多必须设计为多级的。在多级的实施形式中，在叶轮之间安置所谓的导轮，用于使流体转向。由此随着环绕旋转的轴向叶片的旋转会产生涡旋，所述涡旋基本上完全地从流体中产生或者逆向于旋转方向产生。在径向叶轮的构造方面，其对于轴向叶轮的优点在于每一级更高的压力并且因此常常可以设计为单级的，这种叶轮当前可以参照一种变型，其也在多级的径向压缩机或者向心涡轮机中使用，其中叶轮设置在静止的壳体中。

然而在大量的试验中业已示出，由现有技术已知的叶轮的布局在此类装置(其中叶轮的输入结构和排出结构在转子壳体中旋转地布置)中不能提供满意的结果。观察到的是，例如径向通风机的效率从在不旋转壳体中的80％下降到在旋转壳体中的25％。

因此对于改善叶轮存在较大的需求，以便能够更好地考虑转子中具有多个工作步骤的过程中的复杂边界条件。

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种如本文开头所述的用于转化热能的旋转的装置，其中现有技术的缺点被克服或者至少明显地减小。因此本发明的发明目的尤其在于以尽可能小的能量损失保持工作介质围绕旋转轴线的流动。

按照本发明，叶轮设置在转子的在热泵运行状态中输入工作介质流的输入通道和转子的至少一个在热泵运行状态中排出工作介质流的排出通道之间，其中，输入通道具有基本上平行于旋转轴线伸展的、直至延伸到叶轮的进口之前的出口部段，因此工作介质的单独的流体能够从输入通道基本上平行于旋转轴线地输入叶轮中。

因此本发明基于一种出人意料的认知，即叶轮的效率可以通过以下方式显著改善，即工作介质在进入叶轮之前以多个单独的流体平行于旋转轴线地、也就是沿轴向被导引。为了所述公开内容的目的，输入通道的出口部段直至叶轮之前的延伸表示进入输入通道的工作介质流不是汇流的，而是相互分开地输入叶轮中。输入通道的出口部段优选以均匀的角间距并且以相同的径向间距围绕旋转轴线布置。因此工作介质的多个轴向流被导入叶轮中。之后，工作介质流进转子的至少一个排出通道中。据此，工作介质从叶轮中直接地、也就是说没有中间连接静止壳体地导入转子中。所述转子因此构成用于叶轮的旋转的壳体，该壳体优选完整地包围所述叶轮。工作介质导引通过位于转子内部的叶轮，其中，工作介质与现有技术不同地并未在静止的壳体中导引。由此，工作介质的流动能量可以在经过循环过程时基本上被保持。此外优选的是，工作介质相对环境的动态密封是不需要的。在叶轮的传统布局中设置静止的壳体。与之相比，在按照本发明的装置中设置转子，因此包围叶轮的部件在运行中旋转。为了考虑不同的安装状态，可能很容易仅关注叶轮和转子之间的相对转速，也就是在绝对转子转速和绝对叶轮转速之间的转速差。但是业已显示，这种关注基本上是失败的。在现有技术中常见的工作介质从旋转的输入通道径向地流入叶轮中时，在从输入通道径向流出时尤其由于科里奥利加速度形成涡旋，其在流体中、从相对的旋转的系统观察径向向内地逆向于旋转方向地构成。这种涡旋明显改变了进入流体的特性，尤其是速度三角，由此按照传统方法的尺寸设计必然是失败的。然而，按照本发明，工作介质沿轴向从供给所述工作介质的输入通道引出。这会有利地导致，科里奥利加速度几乎为零并且不会出现涡旋或者不会出现显著的涡旋。由此进入叶轮的过程可以更简单地计算，并且也有利地与叶轮转速以及转子的环绕壳体的转速无关，以及也与相对流体速度无关。

为了实现稳定的运行，有利的是，尽可能数量少的径向排出通道与叶轮相连。相连的径向排出通道的数量越小，则运行越稳定，因为排出通道的流体分隔的可能性随着排出通道的数量的减小而越来越小。因此，在一种优选的实施形式中为每个叶轮设置正好一个排出通道。因此，在该实施形式中，对于每个排出通道(其径向向外导引)设置正好一个叶轮，其中可以设置多个叶轮(和相应数量的排出通道)。出于经济性的原因，在备选的优选实施形式中规定，叶轮与至少三个排出通道相连。优选的是不超过12个排出通道与叶轮相连。所述实施形式仅涉及直接沿径向从叶轮引出的排出通道的数量。但是完全可能的是，径向的排出通道在离轴的区域中、优选在偏转到轴向上之后分为多个换热器通道。

为了以较高的效率在流过压缩通道和减压通道时实现压力差，但是可靠地避免在进入叶轮的进口前构成涡流，有利的是，输入通道具有基本上沿径向延伸的输入部段，其设置在出口部段和参照旋转轴线靠内的换热器之间。输入部段优选比输入通道的出口部段更长。

为了在更高的温度时在工作介质和热交换介质之间实现热交换，有利的是，至少一个排出通道与压缩通道相连，压缩通道与参照旋转轴线外部的换热器相连。

为了在运行中以尽可能小的能量耗费保持循环过程，有利的是，叶轮在径向上相比内部的换热器更靠近旋转轴线，其中叶轮优选同中心地围绕转子的旋转轴线布置。因此，转子和叶轮的旋转轴线优选对齐地布置。由此可以实现特别有效的工作方式。

为了将工作介质在输入通道中的径向流在进入叶轮的进口前转化成轴向流，有利的是，输入通道在出口部段处具有弧形弯曲的壁，所述壁引起工作介质从输入部段朝向出口部段的大致90°的转向。通过减压通道在出口端部处的弧形壁可以使工作介质连续地偏转成轴向流体，其中工作介质流不会被所述偏转干扰或仅不明显地被干扰。

为了将工作介质流单独地、也就是基本上不混合地或者相互分开地导入叶轮中，有利的是，输入通道的出口部段形成于基本上沿径向和轴向相对旋转轴线延伸的分隔元件、尤其基本上平的分隔壁之间。通过设置分隔壁可以以特别简单的方式实现工作介质不混合地沿轴向流入输入通道的出口部段中，并且基本上无涡旋地相对于旋转的转子(其构成用于叶轮的壳体)引入叶轮中。

为了尤其在部分负载范围内的更好可调节性，有利的是，分隔元件在叶轮前是可调节的。因此可以产生定义的进口涡旋，其能够通过分隔元件调节。与在现有技术中在进入叶轮的进口处由于科里奥利加速度出现的涡旋不同，这种定义的进口涡旋在装置设计时可以被计算或模拟。按照本发明的装置通常设计用于特定的工作点。在此，分隔元件的进入角尤其可以这样设计尺寸，使得流体在相对的旋转的叶轮系统中观察时具有连续的过渡，也就是没有明显方向改变地流入叶轮的叶片区域中。在叶轮的转速改变时和/或在相对流动速度改变时、即在设计点之外运行时，流体的流入角通常会改变，由此流体可能会不连续地流入叶轮的叶片区域中。这种效应当在设计点之外运行时减小了叶轮的效率。为了克服这种缺点，分隔元件对于设计点之外的运行可以这样调节，使得工作介质参照相对的旋转的叶轮系统、在进入叶轮的叶片区域时以连续的方式流动。由此提高了效率。叶轮通过这种措施还可以产生更高的压力和更高的最大体积流量，由此扩展应用范围。

为了在进行循环过程中保持工作介质的流动有利的是，叶轮具有多个尤其弧形弯曲的叶片。通过所述叶片，在工作介质通过叶轮的叶片的外部边缘之间的出口导引进压缩通道之前，工作介质在参照旋转轴线的圆周方向上加速。

按照一种优选的实施形式，叶轮在面向旋转轴线的侧面上具有无叶轮的径向部段。在叶轮的环形的径向部段中，在输入通道中分开导引的工作介质流被汇合。由此，在从径向部段径向向外地流动的工作介质通过旋转的叶片加速之前，工作介质在径向部段中被均匀化，之后工作介质被排出到排出通道中。

为了将沿轴向流入的工作介质引入叶片，有利的是，叶轮在径向部段上具有弧形弯曲的转向壁，工作介质借助所述转向壁朝径向偏转大致90°。

为了基本上保持工作介质的流动能量，有利的是，至少一个排出通道具有相对径向倾斜布置的进口部段，所述进口部段与基本上沿径向延伸的排出部段相连。排出通道的进口部段优选沿这样的方向延伸，在该方向上形成流体的连续过渡，也就是沿该方向存在没有明显方向改变的流入。这在设计时通过矢量叠加实现。因此，工作介质沿切向方向、参照叶轮的在横截面中基本上呈圆形的轮廓或外表面进入进口部段，所述进口部段与基本上径向延伸的排出部段相连。进口部段和压缩部段优选通过弧形弯曲的过渡部段相互连接。

为了驱动叶轮并且因此在通过过程中加速工作介质，或者为了使用叶轮的旋转能量，有利的是，叶轮具有尤其可平行于转子的旋转轴线旋转的叶轮轴，所述叶轮轴与发动机或发电机相连。因此叶轮一方面可以与发动机相连，用于产生转子和叶轮之间的相对运动。在这种实施形式中，叶轮在热泵运行状态中设置用于保持工作介质的循环导引。另一方面，叶轮可以与发电机相连，用于将在叶轮轴上存在的轴功率通过叶轮的相对运动转换成电能。在这样使用装置时，由于在换热器上不同的温度水平获得自然循环方式的流体。流体的能量然后在用作涡轮机的叶轮中转化成轴功率，该轴功率之后借助发电机转化成电流。优选所述能量的一部分用于驱动转子的发动机。在本公开内容中，概念“进”和“出”涉及叶轮的用于保持工作介质围绕旋转轴线流动的功能，也就是当叶轮在热泵运行状态中用作通风机时。在叶轮作为用于产生电能的涡轮机工作时，工作介质的流动方向被调换，因此例如输入管道的出口部段成为排出管道的进口部段。

在一种优选的实施形式中，叶轮的旋转轴线和转子的旋转轴线重合。当叶轮轴与转子的轴对齐地布置时，有利地不会在叶轮的支承装置上形成由于离心加速产生的非对称的力。优选设置用于叶轮轴的自身的发动机/发电机，因此叶轮可以独立于具有压缩通道和减压通道的转子地被驱动；在这种情况中，转子与第二发动机相连。备选地，也可以使用相同的发动机来驱动叶轮和转子，或者使用相同的发电机来使用叶轮和转子的旋转能量。

已经被出人意料地证明有利的是，发动机设置用于以和转子相同的旋转方向旋转叶轮，该转子具有用于工作介质的减压通道和压缩通道。在叶轮以和主转子相同的方向旋转时，主转子的加速场可以有利地被充分利用。由此，叶轮的效率甚至可以相对具有非旋转壳体的布局被提高，因为在叶轮中的压缩份额本身由于离心加速被提高并且这种压缩具有比由于速率改变导致的压力提高明显更高的效率，所述速率改变例如在从叶轮向排出通道转换时进行。

按照本发明的装置利用在流过转子的压缩通道和减压通道时的离心加速来产生工作介质的不同的压力水平或温度水平。为了借助动能转换工作介质的热能并且逆向该过程，有利的是，至少一个相对旋转轴线靠内的换热器和至少一个相对旋转轴线靠外的换热器设置用于在工作介质和热交换介质之间进行热交换。换热器在转子中共同旋转地布置。根据工作介质的流动方向，装置一方面可以用作热泵，其中借助驱动器使转子旋转运动并且循环流动通过通风机产生。相反的流动方向对应作为用于产生电流的热力机器的运行，其中不同的温度水平被用于产生流动，所述流动在用作涡轮机的叶轮中转换成机械能，所述机械能最后在发电机中转换成电能。在该运行状态中，转子借助发动机驱动，该发动机例如通过从涡轮机获得的电能供给。

所述换热器优选基本上平行于转子的旋转轴线布置。换热器在此连接在压缩通道和减压通道之间。内部的换热器用于在较低温度时的热交换，并且外部的换热器用于在较高温度时的热交换。

为了提高装置的功率有利的是，分别设置多个内部换热器和外部换热器。优选地，一方面内部换热器和另一方面外部换热器以相对旋转轴线均匀的角间距布置。优选设置与压缩和减压通道同样多的内部或外部换热器。因此内部和外部换热器成对地通过各一个压缩通道和减压通道相互连接。此外优选地规定，用于叶轮的输入通道和排出通道的数量对应内部或外部换热器的数量。

按照另一种优选的实施形式，内部换热器的数量相当于外部换热器的多倍，或者反之亦然。

当至少一个内部换热器和至少一个外部换热器基本上平行于旋转轴线延伸时，热交换可以特别高效地进行，其中压缩通道和减压通道在内部换热器和外部换热器之间延伸。优选设置多个内部换热器和多个外部换热器，它们分别以相对旋转轴线相同的径向间距布置。在这种实施形式中还优选规定，设置与内部或外部换热器的数量相应数量的压缩通道或减压通道。

特别优选的是一种实施形式，其中叶轮具有多个相继被工作介质流过的叶轮级。在这种实施形式中，输入通道具有基本上平行于旋转轴线延伸的出口部段，所述出口部段延伸直至沿流动方向观察的第一叶轮级的进口之前。前后相续的叶轮级分别通过转向装置相互连接，工作介质借助转向装置在叶轮级之间被偏转。所述转向装置优选具有基本上平行于旋转轴线延伸的出口部段，其延伸直至沿流动方向观察的下一个叶轮级的进口之前。由此工作介质连续地被导引至下一个叶轮级之前并且沿旋转轴线的方向导入。沿流动方向观察的最后的叶轮级与至少一个排出通道相连。

在循环过程中，对于增大的质量流在叶轮上观察到不连续升高的压力差。因此，在压力差再次升高之前，尤其在低质量流和高转子高转速时(具有增加的质量流)在叶轮上导致下降的压力差。出于这种原因有利的是，使用具有尽可能陡峭的变化曲线(Verlauf)的叶轮，也就是在确定的叶轮转速以及自达到最大压力起的主转子转速时，尽可能陡峭地下降的变化曲线是优选的。这种变化曲线尤其借助多级叶轮实现。因为过程特征曲线(也就是质量流上所需的压力)和叶轮特征曲线(也就是通过质量流产生的压力)通常具有两个交叉点，但是仅其中之一是稳定的工作点，垂直的特征曲线对于产生压力是理想的。这可以例如通过挤压机器(例如活塞机器)实现。然而，借助叶轮实现的多级压力提高能够以有利的方式实现相似的效果，方法是自一个特定的点开始实现非常陡峭的变化曲线。

本发明所要解决的技术问题还通过本文开头所述类型的方法解决，其中工作介质的单独的流体在热泵运行状态中被导引至接近叶轮之前，并且基本上平行于旋转轴线地被引入叶轮中。因此工作介质流单独地或者相互分开地并且沿轴向引入叶轮中。

所述方法的优点和技术效果由之前的阐述得出，因此可以引用之前的阐述。

业已出人意料地被证明有利的是，叶轮以和具有减压通道和压缩通道的转子相同的旋转方向、并且以更高的绝对转速旋转。通过叶轮沿转子旋转方向的旋转规定了叶轮的更高的绝对转速，其相应地引起更高的离心加速度并且进而引起工作介质更有效的压缩。当叶轮和转子的旋转方向相同时，离心的压缩效果成比例地提高并且由此提高效率。

以下结合在附图中所示的优选实施例进一步阐述本发明，但是本发明不局限于这些实施例。在附图中详细示出：

图1示意地示出用于转换热能的按照本发明的装置的示意图，其中工作介质在转子中经过闭合的循环过程，其中循环回路借助旋转的叶轮闭合；

图2示出剖切图1的装置得到的纵截面，其中为了更好的概览性仅示出与叶轮工作相关的构件；

图2a示出在按照本发明的装置中实施的循环回路的温度/熵图；

图3示出按照图1、2所示的装置在叶轮区域中的纵截面；

图4示出按照图2中的线IV-IV的叶轮区域中的装置横截面，其中一方面示出输入通道的出口部段，并且另一方面示出排出通道的进口部段；

图5示出在输入通道的区域中的转子部件的示意图，输入通道在进入叶轮之前具有沿轴向延伸的出口部段；

图6示意性示出图1至5所示的装置的叶轮的示意图；并且

图7示出按照图3的装置在叶轮区域中的纵截面，所述叶轮在该实施形式中具有多个可相继通流的叶轮级。

图1示出用于借助机械能转换热能并且逆向该过程的装置20，其在所示实施形式中用作热泵。所述装置20包含转子21，其能够借助(未示出的)发动机围绕旋转轴线22旋转。转子21具有压缩单元23和减压单元24，它们具有用于工作介质的流动通道。在流过转子21时，工作介质例如天然气经过闭合的循环过程，该循环过程具有这些工作步骤：a)工作介质的压缩，b)在工作介质和外部换热器1’中的热交换介质之间的热交换，c)工作介质的减压和d)在工作介质和内部换热器1”中的热交换介质之间的热交换。为此目的，压缩单元23具有基本上沿径向延伸的压缩通道25，工作介质在其中参照旋转轴线22沿径向向外流动。由于离心加速度，工作介质在压缩通道25中被压缩。相应地，工作介质为了减压在减压单元24的减压通道26中基本上径向向内地导引。

压缩单元23和减压单元24通过轴向的、也就是在旋转轴线22的方向上延伸的流动通道相互连接，在所述流动通道中在工作介质和热交换介质(例如水)之间进行热交换。为此目的设置参照旋转轴线处于外部的换热器1’和处于内部的换热器1”，它们基本上平行于旋转轴线22延伸。当装置20作为热泵运行时，在压缩通道25中压缩的工作介质在外部换热器1’中将热量排放至相对较高的第一温度的热交换介质，其中，在减压通道26中减压的工作介质从相对较低的第二温度的热交换介质吸收热量。

因此作用在工作介质上的离心加速度被充分用于产生不同的压力水平或温度水平。较高温度的热量被从压缩的工作介质中抽出，并且相对较低温度的热量被输入减压的工作介质。在装置20作为发动机运行时，工作介质沿相反方向流过流体通道。相应地，热交换发生改变，其中在外部换热器1’中热量被输入给工作介质并且在内部换热器1”中从工作介质上抽出热量。

如图1另外示出，分别设置多个、在所示实施形式中12个内部换热器1”和多个、在所示实施形式中12个外部换热器1’，它们以相对于旋转轴线均匀的角度间隔布置。内部换热器1”和外部换热器1’分别基本上平行于旋转轴线22延伸，其中压缩通道23和减压通道25在内部换热器1”和外部换热器1’之间延伸。

在图2中以纵截面示出装置20的部件，其中仅示出一个内部换热器1”和一个外部换热器1’。此外，在图2中示出叶轮30，在所示实施形式中借助叶轮30能够保持工作介质围绕旋转轴线22的流动。叶轮30一方面与输入通道31相连，所述输入通道承接来自内部换热器1”的工作介质。此外，叶轮30与排出通道32相连，工作介质借助排出通道导入压缩单元23的压缩通道25中。压缩通道25与外部换热器1’相连。

此外如图2所示，叶轮30在径向上相对内部换热器1”更靠近旋转轴线22。在所示实施形式中，叶轮30的旋转轴线与转子21的旋转轴线22对齐，以便降低由于离心加速作用在叶轮30的轴的支承装置上的载荷。

图2a示出温度(T)—熵(S)—图，其中工作介质的单个状态以Z1至Z7标出。在图2中相应地标注装置20内部的工作介质基本上实现状态Z1-Z7的位置。因此，在作为热泵运行时经过以下过程步骤(在作为热-力-机器运行时该循环过程以相反方向实施)：

-1向2：由于从近轴的换热器1”的半径Z1直至远轴的换热器1’的半径Z2的主旋转产生的基本上等熵的压缩，

-2向3：在相对较高温度和流体的半径恒定时，工作介质基本上等压地向外部换热器1’中的热交换介质放热；

-3向4：由于从外部换热器1’的半径直至内部换热器1”的半径的主旋转产生的基本上等熵的减压，

-4向5：在相对较低的温度处在内部换热器1”的半径恒定时基本上等压地放热；

-5向6：由于从内部换热器的半径直至叶轮的进口半径的主旋转产生的基本上等熵的减压；

-6向7：在叶轮中的压缩，其中损失导致熵升高；并且

-7向1：由于从叶轮的出口直至按照状态Z1的半径的主旋转产生的基本上等熵的压缩。

如图3所示，输入通道31具有基本上平行于旋转轴线22延伸的、延伸直至叶轮30的进口33之前的出口部段34，因此输入通道31中的工作介质流相互分隔并且基本上平行于旋转轴线22地导引进叶轮30中。

另外如图3所示，输入通道31具有基本上沿径向延伸的输入部段35，其设置在接入叶轮30中的出口部段34和内部换热器1”之间。排出通道32与压缩通道25相连，所述压缩通道将工作介质导引至外部换热器1’。

尤其如图3所示，输入通道31在出口部段34上具有弧形弯曲的壁36，其导致工作介质从径向输入部段35向轴向出口部段34大致90°地转向。

尤其如图4所示，输入通道31的出口部段34通过基本上沿相对旋转轴线22的径向和轴向延伸的分隔元件37限定，所述分隔元件在所示实施形式中通过基本上平的分隔壁构成。分隔元件37具有径向的延伸并且星状的布置。因此在所示实施形式中，出口部段34规则地并且以恒定的径向间隔围绕转子21的旋转轴线22布置。

由图4还可以看出，叶轮30具有多个弧形弯曲的叶片38，借助所述叶片使得工作介质在流过叶轮30时沿叶轮30的旋转方向39加速。叶轮30在面向旋转轴线22的一侧具有不带叶片38的径向部段40，来自输入通道31的工作介质流在该径向部段40中汇聚和变均匀。在径向部段40上设置弧形弯曲的转向壁41(参照图3)，借助其使得工作介质从在进入叶轮30时的轴向流体偏转90°地成为在叶片38之前的径向流体。

如图4所示，排出通道32具有参照叶轮30的轮廓、也就是参照叶轮30的在横截面中呈圆形的外表面、相对于径向倾斜延伸的进口部段42，所述进口部段与基本上沿径向延伸的排出部段43相连。

如图4、6示意地示出，叶轮30具有叶轮轴44，所述叶轮轴与发动机(未示出)相连。所述发动机设置用于使叶轮30沿转子21的旋转方向45旋转。在所示实施形式中，叶轮44的旋转轴线和转子21的旋转轴线22重合。在作为热力机器工作时，叶轮30(此时作为涡轮机工作)与发电机相连。所述涡轮机在相应的质量流流过时将产生的压差转换成轴功率。

如图5所示，装置20具有动态密封缝隙46，其将由于叶轮30的出口处相对进口处升高的压力产生的回流最小化。叶轮30的对应薄片47嵌入密封缝隙46中，用于产生多个尽可能小的缝隙。

图7示出备选的实施形式，其中单独的叶轮30具有多个、在所示实施形式中为两个、可相继通流的叶轮级30’、30”。所述叶轮级30’、30”通过转向装置30”’相互连接，借助该转向装置工作介质首先从径向向外的流(在与第一叶轮级30”连接处)转向为径向向内的流并且之后转向为朝向旋转轴线22的流，直至到达第二叶轮级30’之前。每个叶轮级30’、30”与按照图1至6所示的单级实施形式相应地构成。在所示实施形式中，叶轮级30’、30”设置在相同的叶轮轴44上，所述叶轮轴与发动机或发电机相连。叶轮级30’、30”可以备选地支承在分开的叶轮轴上，其中每个叶轮级30’、30”与发动机或发电机相连。

Claims (18)

1.一种利用机械能将较低温度的热能转化成较高温度的热能和逆向进行该过程的装置(20)，具有围绕旋转轴线(22)可旋转地支承的、用于经过闭合的循环过程的工作介质的转子(21)和相对转子(21)可旋转的叶轮(30)，其中，转子(21)具有配备多个压缩通道(25)的压缩单元(23)和配备多个减压通道(26)的减压单元(24)，其中，工作介质流能够为了提高压力参照旋转轴线(22)基本上径向向外地导入压缩通道中，工作介质流能够为了降低压力参照旋转轴线(22)基本上径向向内地导入减压通道中，其中，转子(21)还具有用于在工作介质和热交换介质之间进行热交换的换热器(1’、1”)，其中，所述叶轮(30)在热泵运行状态中用于保持工作介质围绕转子(21)的旋转轴线(22)的流动和/或在发电机运行状态中用于使用工作介质的流动能量，其特征在于，所述叶轮(30)设置在转子(21)的在热泵运行状态中输入工作介质流的输入通道(31)和至少一个在热泵运行状态中排出工作介质流的排出通道(32)之间，其中输入通道(31)具有基本上平行于旋转轴线(22)伸展的、延伸至叶轮(30)的进口(33)之前的出口部段(34)，因此工作介质的各个流能够从输入通道(31)基本上平行于旋转轴线(22)地引入叶轮(30)中。

2.按照权利要求1所述的装置(20)，其特征在于，所述输入通道(31)具有基本上沿径向延伸的输入部段(35)，所述输入部段设置在出口部段(34)和参照旋转轴线(22)位于内部的换热器(1”)之间。

3.按照权利要求1或2所述的装置(20)，其特征在于，所述至少一个排出通道(32)与压缩通道(25)相连，所述压缩通道与参照旋转轴线(22)位于外部的换热器(1’)相连。

4.按照权利要求2或3所述的装置(20)，其特征在于，叶轮(30)在径向上相比内部的换热器(1”)更靠近旋转轴线(22)，其中，叶轮(30)优选同中心地围绕转子(11)的旋转轴线(22)布置。

5.按照权利要求2至4之一所述的装置(20)，其特征在于，输入通道(31)在出口部段(34)处具有弧形弯曲的壁(36)，所述壁使得工作介质从输入部段(35)基本上90°地转向到出口部段(34)中。

6.按照权利要求1至5之一所述的装置(20)，其特征在于，输入通道(31)的出口部段(34)形成于相对旋转轴线基本上沿径向和轴向延伸的分隔元件(37)之间、尤其是基本上平坦的分隔壁之间。

7.按照权利要求1至6之一所述的装置(20)，其特征在于，叶轮(30)具有多个尤其弧形弯曲的叶片(38)。

8.按照权利要求1至7之一所述的装置(20)，其特征在于，叶轮(30)在面向旋转轴线(22)的一侧上具有无叶轮(38)的径向部段(40)。

9.按照权利要求8所述的装置(20)，其特征在于，叶轮(30)在径向部段(40)上具有弧形弯曲的转向壁(41)，工作介质能够借助所述转向壁沿径向基本上90°地转向。

10.按照权利要求1至9之一所述的装置(20)，其特征在于，所述至少一个排出通道(32)具有相对径向倾斜布置的进口部段(42)，所述进口部段与基本上沿径向延伸的排出部段(43)相连。

11.按照权利要求1至10之一所述的装置(20)，其特征在于，叶轮(30)具有尤其平行于转子(21)的旋转轴线(22)的可旋转的叶轮轴(44)，所述叶轮轴与发动机或者发电机相连。

12.按照权利要求9所述的装置(20)，其特征在于，发动机设置用于使叶轮(30)以和转子(21)相同的旋转方向(39、45)旋转，该转子具有用于工作介质的减压通道(25)和压缩通道(26)。

13.按照权利要求1至12之一所述的装置(20)，其特征在于，设有至少一个参照旋转轴线位于内部的换热器(1”)和至少一个参照旋转轴线(22)位于外部的换热器(1’)，其中，优选分别设置多个内部的换热器(1”)和外部的换热器(1’)。

14.按照权利要求13所述的装置(20)，其特征在于，内部的换热器(1”)的数量相当于外部的换热器(1’)的多倍，或者反之亦然。

15.按照权利要求13或14所述的装置(20)，其特征在于，至少一个内部的换热器(1”)和至少一个外部的换热器(1’)基本上平行于旋转轴线(22)延伸，其中，压缩通道(25)和/或减压通道(26)在内部的换热器(1”)和外部的换热器(1’)之间延伸。

16.按照权利要求1至15之一所述的装置(20)，其特征在于，叶轮(30)具有多个能相继被工作介质流过的叶轮级(30’、30”)。

17.一种利用机械能将较低温度的热能转化成较高温度的热能和逆向进行该过程的方法，其中，工作介质在围绕旋转轴线(22)旋转的转子(21)中经过闭合的循环过程，其中，工作介质的多个流为了提高压力参照旋转轴线(22)基本上径向向外地导引，其中，工作介质流为了降低压力参照旋转轴线基本上径向向内地导引，其中，在工作介质和热交换介质之间进行热交换，其中，工作介质在热泵运行状态中为了保持工作介质围绕转子的旋转轴线的流动和/或在发电机运行状态中为了使用工作介质的流动能量而被导引通过叶轮(30)，其特征在于，工作介质的各个流在热泵运行状态中被导引直至叶轮(30)之前并且基本上平行于旋转轴线(22)地导入叶轮(30)中。

18.按照权利要求17所述的方法，其特征在于，叶轮(30)以和具有减压通道(25)和压缩通道(26)的转子(21)相同的旋转方向(39、45)并且以更高的绝对转速旋转。